凝汽器傳熱熱阻影響因素分析及改善措施

薛 旻

（華潤(rùn)電力（常熟）有限公司，江蘇常熟 215536）

0 引言

在火力發(fā)電廠中，凝汽器的換熱效率對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率影響較大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，熱力發(fā)電機(jī)組真空度每降低1%，機(jī)組熱耗約增加1.5%。同時(shí)，如果凝汽器換熱效率嚴(yán)重低于設(shè)計(jì)值，會(huì)引起汽輪機(jī)排汽溫度升高，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)軸向位移發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊啓C(jī)產(chǎn)生附加振動(dòng)，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，盡可能的提高凝汽器的傳熱效率是火電機(jī)組節(jié)能降耗的重要手段。

凝汽器的傳熱效率有較多的評(píng)判指標(biāo)，可以從凝汽器端差、凝結(jié)水過(guò)冷度、傳熱系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文從理論上分析凝汽器的傳熱熱阻，找到影響凝汽器傳熱熱阻的因素，并提出改進(jìn)措施。

1 傳熱熱阻影響因素分析

傳熱熱阻的定義，是指熱流量在通過(guò)物體時(shí)，在物體兩端形成的溫度差。熱阻反應(yīng)的是導(dǎo)熱材料對(duì)熱流傳導(dǎo)的阻礙能力，導(dǎo)熱材料的熱阻越大，對(duì)熱傳導(dǎo)的阻礙能力越強(qiáng)。提高火力發(fā)電廠凝汽器的換熱效率，就要盡可能地降低凝汽器的傳熱熱阻。

1.1 凝汽器傳熱過(guò)程分析

在理想工況下，如果不考慮蒸汽與換熱管間輻射傳熱，火力發(fā)電廠中最常見(jiàn)的表面式凝汽器的總傳熱熱阻由冷卻水與換熱管內(nèi)壁的對(duì)流換熱熱阻、換熱管內(nèi)外管壁間的純導(dǎo)熱熱阻和蒸汽與換熱管外壁的對(duì)流換熱熱阻3部分組成，總熱阻值的計(jì)算見(jiàn)式（1）

式中l(wèi)——換熱管長(zhǎng)度

λ——換熱管管壁導(dǎo)熱系數(shù)

d，d0——換熱管內(nèi)徑、外徑

α1，α2——換熱管水側(cè)和汽側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)

火電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況下，凝汽器的運(yùn)行受到外界多種因素的影響，加上凝汽器多年運(yùn)行的累積效應(yīng)，實(shí)際的凝汽器換熱過(guò)程，還存在另外附加的傳熱熱阻，這些附加的熱阻可能是設(shè)計(jì)熱阻值的數(shù)倍，這將極大降低凝汽器的傳熱系數(shù) ，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，需要對(duì)這些附加熱阻進(jìn)行細(xì)化分析，并采取措施，降低附加的傳熱熱阻。

根據(jù)凝汽器熱量傳遞流程，蒸汽在凝汽器內(nèi)部是一個(gè)等壓冷凝的過(guò)程，在理想狀態(tài)下，蒸汽從汽輪機(jī)末級(jí)葉片排出后，在凝汽器冷卻水管外壁冷凝，冷凝過(guò)程需要通過(guò)對(duì)流換熱將熱量傳遞給外側(cè)管壁。但在實(shí)際過(guò)程中，并不是簡(jiǎn)單的蒸汽與冷卻水管壁的對(duì)流換熱，存在2個(gè)主要的附加因素干擾：①冷凝水不會(huì)立即離開(kāi)換熱管表面，而會(huì)聚集于換熱管表面，演變?yōu)樗?，蒸汽必須先和這層水膜進(jìn)行換熱，然后通過(guò)水膜將熱量傳遞給管壁，其間增加了一個(gè)換熱熱阻；②真空狀態(tài)下的凝汽器不可避免的存在一些不凝結(jié)氣體，這些氣體在蒸汽冷凝時(shí)聚集在液膜附近，形成一層氣膜，使蒸汽凝結(jié)過(guò)程增加了一個(gè)氣相傳熱熱阻。

熱量通過(guò)凝汽器換熱管內(nèi)外壁的熱傳導(dǎo)后需要將熱量傳導(dǎo)給冷卻水，但在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，隨著凝汽器的長(zhǎng)期運(yùn)行，換熱管內(nèi)壁會(huì)存在一些污垢，增加導(dǎo)熱熱阻。

因此，實(shí)際的凝汽器運(yùn)行過(guò)程，存在不凝結(jié)氣體的熱阻，汽側(cè)水膜的熱阻，水側(cè)污垢的熱阻，3個(gè)附加熱阻影響凝汽器的傳熱效率，是機(jī)組運(yùn)行中必須想辦法盡量降低的熱阻。實(shí)際的凝汽器熱阻可用式（2）表示。

式中R1——不凝結(jié)氣體熱阻

R2——汽側(cè)凝結(jié)液膜熱阻

R3——水側(cè)污垢熱阻

1.2 不凝結(jié)氣體熱阻的影響分析

凝汽器汽側(cè)的不凝結(jié)氣體通過(guò)兩種方式進(jìn)入凝汽器。①本身溶解在凝結(jié)水中，通過(guò)蒸汽攜帶進(jìn)入凝汽器，②通過(guò)機(jī)組負(fù)壓系統(tǒng)的不嚴(yán)密處漏入凝汽器。前者占比極少，約為凝汽器不凝結(jié)氣體總量的1%，大部分不凝結(jié)氣體通過(guò)機(jī)組負(fù)壓狀態(tài)下的不嚴(yán)密處漏入。

當(dāng)蒸汽在凝汽器中凝結(jié)時(shí)，凝汽器內(nèi)部的不凝結(jié)氣體在蒸汽的氣流作用下，聚集在換熱管外壁液膜附近，在換熱管外形成一層氣膜，汽輪機(jī)排出的蒸汽要達(dá)到凝汽器換熱管進(jìn)行冷凝，就必須穿過(guò)這層氣膜，使蒸汽在冷凝換熱過(guò)程中增加了一個(gè)氣相傳熱熱阻。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)不凝結(jié)氣體含量占總蒸汽量的1%時(shí)，凝汽器換熱系數(shù)只達(dá)到純凈蒸汽的50%左右，嚴(yán)重降低凝汽器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1.3 汽側(cè)凝結(jié)液膜熱阻的影響分析

火力發(fā)電廠一般采用表面式凝汽器，表面式凝汽器的換熱按照膜狀凝結(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。從汽輪機(jī)排出的蒸汽遇到溫度較低的凝汽器換熱管外壁，放出汽化潛熱，蒸汽凝結(jié)成水，凝結(jié)水自身重力小于換熱管表面的吸附力，不能立即離開(kāi)換熱管表面，會(huì)在換熱管表面形成一層液膜，不斷凝結(jié)的蒸汽必須先與這層液膜進(jìn)行換熱，然后才能將熱量傳遞給換熱管外壁，因此，在凝汽器換熱管的傳熱過(guò)程中又附加了液膜的熱阻，降低了總傳熱系數(shù)。液膜熱阻可近似表示為式（3）。

式中d0——換熱管管道外徑

l——換熱管管道長(zhǎng)度

λ2——液膜導(dǎo)熱系數(shù)

W2——液膜厚度

從式（3）可以看出，液膜厚度越厚，對(duì)凝汽器傳熱的影響越大，減小液膜熱阻，需要減薄液膜厚度或阻止液膜的生成。

1.4 凝汽器水側(cè)污垢熱阻的影響分析

火力發(fā)電廠一般采用開(kāi)式循環(huán)水或閉式循環(huán)水，但無(wú)論是開(kāi)式循環(huán)還是閉式循環(huán)，凝汽器冷卻水都直接與外界環(huán)境接觸，使冷卻水?dāng)y帶一些雜質(zhì)和微生物，水質(zhì)較差，特別是采用開(kāi)式循環(huán)水的機(jī)組，大多采用長(zhǎng)江水或者海水，水的硬度較高，含泥沙、水生物較多，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)后很容易在管道內(nèi)壁上結(jié)垢、結(jié)污，使冷卻水不能與換熱管內(nèi)壁直接接觸，增加導(dǎo)熱熱阻。污垢的導(dǎo)熱熱阻表示為式（4）。

式中d——管道內(nèi)徑

l——管道長(zhǎng)度

λ3——污垢導(dǎo)熱系數(shù)

W3——污垢層厚度

從式（4）可以看出，隨著污垢厚度的增大，污垢的傳熱熱阻逐漸增大，由于污垢的導(dǎo)熱系數(shù)比換熱管管壁導(dǎo)熱系數(shù)小得多，因此，該項(xiàng)導(dǎo)熱熱阻比管壁的熱阻大很多，會(huì)大幅降低凝汽器傳熱系數(shù)。同時(shí)，污垢長(zhǎng)期附著于換熱管內(nèi)壁，還會(huì)產(chǎn)生垢下腐蝕，機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后容易引發(fā)管道泄漏，直接影響進(jìn)入鍋爐的水質(zhì)和汽機(jī)通流部分的清潔度，危及機(jī)組的安全運(yùn)行。

2 降低凝汽器傳熱熱阻的措施

2.1 提高凝汽器負(fù)壓系統(tǒng)的嚴(yán)密性

（1）機(jī)組調(diào)?；驒z修時(shí)，采用凝汽器高位灌水的方式，對(duì)凝汽器喉部以下區(qū)域及機(jī)組負(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行灌水查漏，消除凝汽器焊縫、負(fù)壓系統(tǒng)法蘭等區(qū)域的漏點(diǎn)。

（2）機(jī)組運(yùn)行時(shí)，定期對(duì)機(jī)組負(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行查漏，可以采用聲波查漏儀、氦質(zhì)譜檢測(cè)儀等先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行查漏。

（3）機(jī)組正常升降負(fù)荷時(shí)，根據(jù)負(fù)荷的變化，及時(shí)調(diào)整汽輪機(jī)軸封供汽壓力，確保汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)的嚴(yán)密性。

2.2 保持凝汽器換熱管管壁清潔

為了維持凝汽器換熱管管壁的清潔，必須經(jīng)常對(duì)凝汽器換熱管管壁進(jìn)行清洗，早些年，火力發(fā)電廠常在機(jī)組停運(yùn)時(shí)采用人工清洗、刷子清洗或者化學(xué)清洗等方法進(jìn)行清洗，不僅人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且效果不佳。近幾年，隨著人們對(duì)電廠凝汽器沖洗的逐漸重視，凝汽器管壁沖洗的方法越來(lái)越高效便捷。凝汽器沖洗主要分為在線沖洗和停機(jī)沖洗。在線沖洗最大的優(yōu)點(diǎn)是可以不停機(jī)進(jìn)行清洗，并且可以節(jié)省人力，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在主流的在線清洗方式有在線膠球清洗和在線“水蜘蛛”清洗兩種方式。膠球清洗是采用密度與水相近的海綿膠球作為介質(zhì)，在膠球泵的作用下隨水流進(jìn)入換熱管，膠球可有效清除換熱管表面的泥垢，但對(duì)鈣、鎂等無(wú)機(jī)鹽形成的硬垢沖洗效果不佳。而“水蜘蛛”在線清洗是利用水蜘蛛仿生技術(shù)，讓高壓水通過(guò)供水機(jī)構(gòu)經(jīng)噴嘴噴出，高壓水進(jìn)入換熱管后形成高速噴射水流，沖走管壁內(nèi)的泥垢。在機(jī)組停運(yùn)時(shí)候，通常采用“子彈”高壓水沖洗的方式，利用“塑料子彈”作為沖洗介質(zhì)，在壓縮空氣和高壓水的雙重作用下，“塑料子彈”以旋轉(zhuǎn)切削的方式通過(guò)換熱管，達(dá)到較好的沖洗效果。此外，火電廠還需要定期監(jiān)測(cè)冷卻水的水質(zhì)，在泥沙含量較多、微生物易生成的季節(jié)，盡量提高冷卻水流速，增加換熱管沖洗頻次，減緩污垢生成的速率。

2.3 減薄凝結(jié)水液膜厚度

（1）改進(jìn)換熱管結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)際上較為先進(jìn)的技術(shù)是采用強(qiáng)化換熱管。強(qiáng)化換熱管表面采用特殊的材料或形式，使得管外壁的摩擦系數(shù)較低，液滴較易滴落。例如，在火力發(fā)電廠中應(yīng)用較多的螺紋槽管，其管壁內(nèi)外均為節(jié)距較大的螺紋形狀，使得蒸汽凝結(jié)液流向螺紋溝內(nèi)，這種設(shè)計(jì)可以破壞換熱管外壁的液膜，大大提高了換熱管外壁的換熱系數(shù)。同時(shí)，從換熱角度來(lái)講，這種結(jié)構(gòu)既增強(qiáng)了換熱管外壁的蒸汽換熱，又強(qiáng)化了換熱管內(nèi)壁的冷卻水換熱。實(shí)驗(yàn)表明，在相同的運(yùn)行參數(shù)下，螺紋槽管的總傳熱系數(shù)要比光管高40%。單這種結(jié)構(gòu)的換熱管容易導(dǎo)致冷卻水側(cè)的污垢沉積，因此，采用此種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱管時(shí)需要保證冷卻水的水質(zhì)，也需要經(jīng)常對(duì)換熱管進(jìn)行沖洗。

（2）變膜狀凝結(jié)為珠狀凝結(jié)。 目前，火電廠凝汽器的換熱是以膜狀凝結(jié)換熱為主，設(shè)計(jì)時(shí)也是按照膜狀凝結(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，從傳熱學(xué)角度來(lái)講，珠狀凝結(jié)比膜狀凝結(jié)更為高效。實(shí)驗(yàn)證明，珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)要比膜狀凝結(jié)的換熱系數(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，如果火電廠凝汽器能充分利用珠狀凝結(jié)，將大大提高凝汽器的換熱性能。珠狀凝結(jié)的機(jī)理是利用液滴自重，不斷攜帶其他液滴分離換熱管，從而破壞換熱管外壁液膜的形成，保持蒸汽與換熱管外壁的直接接觸，因此，珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)較大。然而，現(xiàn)階段珠狀凝結(jié)還未得到推廣，主要是由于這種凝結(jié)方式不易長(zhǎng)時(shí)間保持。如果可以改善珠狀凝結(jié)實(shí)現(xiàn)的條件，例如研制出一種親水性較差的材料，將大大提高凝汽器的換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，等離子換熱管是一種很好的珠狀凝結(jié)換熱管，相較于黃銅換熱管，等離子管材具有更低的表面自由能，基本可以實(shí)現(xiàn)珠狀凝結(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析，說(shuō)明火電廠凝汽器的傳熱必須經(jīng)過(guò)不凝結(jié)氣體層、凝結(jié)液膜層和水側(cè)污垢層，這將大大增加凝汽器的傳熱熱阻。降低凝汽器的傳熱熱阻，可以在設(shè)計(jì)時(shí)選擇更合理的換熱管形狀和更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)或采用更先進(jìn)的管材，提高凝汽器的傳熱系數(shù)；同時(shí)，在凝汽器運(yùn)行中注意冷卻水的水質(zhì)，加強(qiáng)膠球清洗或“水蜘蛛”在線清洗裝置的可靠性，定期對(duì)凝汽器進(jìn)行停機(jī)沖洗，盡量維持凝汽器換熱管的清潔；還要定期對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行查漏，保證凝汽器真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性；這些措施對(duì)降低凝汽器的傳熱熱阻尤為重要。